江蘇省農(nóng)田氮素平衡的時(shí)空變化特征分析*

田 冕，楊秉臻，金 濤，張洪程，陸建飛

(揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225009)

0 引言

肥料是作物的“糧食”，是穩(wěn)定地力、保障食物安全的重要支撐，但受限于養(yǎng)分管理水平和施肥技術(shù)，我國(guó)氮肥養(yǎng)分利用率顯著低于國(guó)際平均水平，由此造成對(duì)環(huán)境的不良影響[1]。江蘇省是我國(guó)重要的集約化農(nóng)業(yè)高產(chǎn)區(qū)，人多地少，土地墾殖指數(shù)高，開發(fā)強(qiáng)度大。作為東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)所剩無幾的糧食主產(chǎn)省， 2015年，江蘇耕地面積占全國(guó)3.39%，糧食產(chǎn)量占全國(guó)5.73%，但高產(chǎn)嚴(yán)重依賴化肥，全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料顯示，江蘇粳稻每畝氮肥的折純用量，將近全國(guó)平均水平的2倍。因此，有效控制和減少耕地氮負(fù)荷，提高農(nóng)田基礎(chǔ)地力，成為新時(shí)期江蘇向綠色農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的工作重點(diǎn)。

農(nóng)業(yè)肥料污染問題是當(dāng)前學(xué)界研究熱點(diǎn)[1-3]，以江蘇省為研究靶區(qū)，進(jìn)行農(nóng)業(yè)肥料污染風(fēng)險(xiǎn)測(cè)評(píng)的相關(guān)成果也頗為豐富，研究大體經(jīng)歷從宏觀辨向到逐步聚焦和細(xì)化的過程，研究重點(diǎn)先后從農(nóng)業(yè)面源污染時(shí)序演變規(guī)律的驗(yàn)證[4]，到農(nóng)業(yè)面源污染的多種源解析[5]，再具體到氮磷鉀化肥使用強(qiáng)度的分級(jí)考評(píng)[6]，最后針對(duì)農(nóng)業(yè)氮素過剩排放的剖析[7]。在上述研究基礎(chǔ)上，要深入認(rèn)識(shí)江蘇農(nóng)田氮素平衡的時(shí)空演變特征，還需對(duì)氮素收支項(xiàng)進(jìn)行更細(xì)化的分析。事實(shí)上，有學(xué)者從農(nóng)業(yè)氮剩余對(duì)水環(huán)境的脅迫出發(fā)，基于氮平衡模型，按氮素各項(xiàng)收支清單進(jìn)行較為全面的分析，但研究大多以流域區(qū)為分析單元[8-9]。江蘇省是全國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的先行區(qū)，農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域差異明顯，文章借鑒這一氮平衡模型，重新理解江蘇省耕地氮素平衡的時(shí)空變化規(guī)律，為全省農(nóng)田養(yǎng)分分區(qū)管理和農(nóng)業(yè)減排政策提供參考依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 氮盈余測(cè)算方法

根據(jù)物質(zhì)守恒原理，建立農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮平衡模型[9-11]：氮盈余=氮輸入—氮輸出。輸入項(xiàng)包括：化肥氮素，人畜糞便氮素、大氣沉降氮、秸稈還田氮、生物固氮； 輸出項(xiàng)包括：作物吸收氮、氨揮發(fā)氮與反硝化氮、淋洗與徑流損失。

表1 人畜糞便氮排泄系數(shù)[14-16]

畜禽種類糞便排泄量(t/年)氮含量(%)總氮量(kg/年)豬1.050.238 2.51 肉禽0.011.032 0.09 蛋禽0.051.032 0.50 羊0.871.014 8.82 牛12.40.351 43.52 人0.620.6434.00

(1)化學(xué)氮肥輸入，用氮肥施用折純量來代表。該文根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒中的氮肥折純量以及復(fù)合肥中的全氮比重進(jìn)行計(jì)算，復(fù)合肥中氮的比例按32.5%折算[12]。

(2)人畜糞便氮輸入，利用統(tǒng)計(jì)年鑒中各地區(qū)鄉(xiāng)村人口和畜禽統(tǒng)計(jì)數(shù)量，乘以人畜的單位氮排放系數(shù)(表1)，計(jì)算出氮排放總量。由于人畜糞便并不能全部用于農(nóng)田，因此取總量的40%進(jìn)入農(nóng)田計(jì)算[13]。

(3)大氣沉降氮輸入，以耕地面積乘以單位面積氮沉降通量得到。江蘇省氮沉降通量按13.6kg/hm2計(jì)[17]。

(4)秸稈還田氮輸入，根據(jù)不同作物的產(chǎn)量、草谷比、氮含量和返田率計(jì)算得出[9， 18]。該文在計(jì)算秸稈氮輸入時(shí)主要是考慮了水稻、麥類、油菜和玉米這4種主要作物的秸稈氮還田量。

(5)生物固氮輸入，包括豆科植物以及土壤微生物的生物固氮。豆科作物主要包括豆類和花生，豆類的固氮系數(shù)為180kg/(hm2·年)，花生的固氮系數(shù)為100kg/(hm2·年)[19]，單位面積土壤生物的固氮量取值為25kg/(hm2·年)[8]。

(6)作物吸收氮輸出量，參照江蘇省不同作物吸氮量的研究和《土壤肥料科學(xué)通論》，對(duì)各作物100kg產(chǎn)量吸氮量進(jìn)行整理，得出以下農(nóng)作物生產(chǎn)100kg經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量所需的氮量(表2)。

表2 不同作物每100kg經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量需氮量[20]kg

(7)氨揮發(fā)與反硝化、淋洗與徑流，農(nóng)田化肥氨揮發(fā)與反硝化系數(shù)根據(jù)水田和旱地分別確定，水田氨揮發(fā)25%，旱地氨揮發(fā)9%，水田反硝化32%，旱地反硝化15%，人畜糞便等有機(jī)肥氨揮發(fā)20%，反硝化13%[10]。土壤淋洗損失2%，徑流損失5%[21]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

江蘇省及各地市的人畜數(shù)量、主要作物產(chǎn)量、播種面積、耕地面積均來自《江蘇省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》，相關(guān)年份分地市氮肥施用量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)由江蘇省農(nóng)委市場(chǎng)處提供，分地市耕地面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)由江蘇省國(guó)土資源廳提供。此外，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量中牛與羊的存欄量因統(tǒng)計(jì)方法等的差異， 2006年及以前的數(shù)據(jù)，以近10年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過趨勢(shì)回推，生成2006年新統(tǒng)計(jì)口徑數(shù)據(jù)，再運(yùn)用平加法，修訂形成與新口徑接軌的數(shù)據(jù)序列； 各類計(jì)算氮輸入與輸出的指標(biāo)參考相關(guān)部門公布的數(shù)據(jù)及公開發(fā)表的期刊論文； GIS空間分析數(shù)據(jù)來源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)。

2 結(jié)果分析

2.1 江蘇省農(nóng)田氮素平衡的時(shí)序變化特征

在耕地面積不斷減少的趨勢(shì)下，江蘇省農(nóng)田氮盈余量總體上升， 2015年達(dá)到29.67萬t，大約為1979年15.1萬t的2倍，這也意味著期間單位耕地面積的氮盈余強(qiáng)度翻了1倍有余。改革開放以來，江蘇省農(nóng)田氮盈余量經(jīng)歷了從相對(duì)平緩，到持續(xù)上升，再到逐步緩降的變化過程(圖1)。如果以氮盈余量作為污染指標(biāo)，這一變化過程基本符合環(huán)境庫茲涅茲曲線的基本規(guī)律，曲線的拐點(diǎn)大約在2003年。分階段看， 1979—1986年，氮盈余量變化相對(duì)平緩，其間氮輸出量和輸入量基本同步上升； 1986—2003年，氮盈余量波動(dòng)上升，其間氮輸入量與輸出量走勢(shì)大體相似，均在1998年前后到達(dá)階段性高位，隨后兩相差額即盈余量仍持續(xù)擴(kuò)大。2003—2015年，氮盈余增勢(shì)不再，總體呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，主要是期間氮輸入量緩慢下降，而受農(nóng)業(yè)尤其是糧食“十二連增”的影響，氮輸出量卻持續(xù)上升(圖1)。

圖1 1979—2015年江蘇省農(nóng)田氮素平衡變化

圖2 1979—2015年江蘇各類氮輸入比例

江蘇農(nóng)田氮盈余量與氮輸入量的走勢(shì)更為接近(圖1)，可見，氮素調(diào)控的重點(diǎn)是輸入端。從江蘇省農(nóng)田氮輸入量的構(gòu)成看，主要來源是農(nóng)用氮肥，初始期最低， 1979年來自氮肥的氮素占氮總輸入量的63.42%，隨后氮肥比重持續(xù)上升，至1997年以后相對(duì)穩(wěn)定， 2009年最高，達(dá)到80.59%； 江蘇農(nóng)田氮素的第二大來源是生物固氮，所占份額1979年最高為16.25%，隨著耕地面積和豆科作物面積的不斷減少，此后呈相對(duì)減少態(tài)勢(shì)。這兩大輸入項(xiàng)在構(gòu)成上總體有此消彼長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，這意味著改革開放以來，尤其是20世紀(jì)80年代和90年代，江蘇種植業(yè)經(jīng)歷了對(duì)化學(xué)氮肥依賴逐漸加大，而生物固氮等傳統(tǒng)養(yǎng)地增肥方式則不斷式微的過程。此外，人畜糞肥輸入比例在30多年間變化相對(duì)不大； 大氣沉降與秸稈還田氮輸入比例的變化趨勢(shì)大致相同，兩者均呈下降趨勢(shì)(圖2)。

2.2 江蘇省農(nóng)田氮素平衡空間變化特征

2.2.1 氮素盈余及輸入、輸出的空間變化特征

江蘇省農(nóng)田氮盈余量以2003年為時(shí)間拐點(diǎn)，以總體處于下行過程的2005—2015年為研究時(shí)段，觀察農(nóng)田氮盈余變化的空間差異。期間各地市氮盈余量與全省平均水平的變化基本一致，均表現(xiàn)為下降。氮盈余量的年均下降速率以蘇南地區(qū)下降最快(14.52%)，其次是蘇中地區(qū)(12.8%)、蘇北地區(qū)僅為3.22%，分地市看，泰州下降最快，鎮(zhèn)江、南京、揚(yáng)州次之，淮安、宿遷最低。

蘇北地區(qū)農(nóng)田氮素大多呈高輸入、高輸出狀態(tài)，蘇南地區(qū)則有低輸入、低輸出的特征。從各市氮輸入構(gòu)成看，氮肥為第一大輸入項(xiàng)，高值集中在蘇北地區(qū)，以徐州、鹽城最高； 其次是生物固氮與人畜糞便，兩者氮輸入較高地區(qū)為南通、鹽城和徐州； 秸稈還田與大氣沉降氮輸入比例偏小，鹽城、徐州、淮安的輸入相對(duì)較高，這3市的耕地資源相對(duì)豐富，是全省大田作物的主要種植區(qū)。從氮輸入量變化上，蘇南5市均呈下降趨勢(shì)，以南京、無錫下降最為明顯，中北部地區(qū)除南通、泰州、鹽城為下降外，其余5市呈上升趨勢(shì)。氮輸入量的變化主要來自氮肥施用量的影響，下降區(qū)集中在蘇南，上升區(qū)分布在中北部。

近10年來，江蘇農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地持續(xù)向耕地資源相對(duì)豐富的中北部地區(qū)轉(zhuǎn)移，蘇北地區(qū)成為全省農(nóng)業(yè)氮素消費(fèi)增長(zhǎng)最快地區(qū)。氮輸出量在蘇南表現(xiàn)為下降，以南京、無錫降速最快，中北部為上升，以連云港、淮安、宿遷增速最快。從氮輸出量構(gòu)成看，作物吸收是氮輸出的主要項(xiàng)，高值集中在中北部地區(qū)，以鹽城、徐州、南通最高； 氨氮揮發(fā)與反硝化、淋洗與徑流屬于損失輸出部分，與氮肥輸入密切相關(guān)，損失高值區(qū)與氮肥輸入高值區(qū)一致(表3)。

表3 2005年和2015年江蘇省各市氮收支與盈余量

萬t

2.2.2 氮盈余強(qiáng)度的空間分布特征

單位耕地面積的氮輸入、輸出水平，即強(qiáng)度水平，更能反映區(qū)域農(nóng)田氮素負(fù)荷狀態(tài)，也是農(nóng)業(yè)肥料污染風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的重要依據(jù)?；诮K省2005年和2015年農(nóng)田氮盈余強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，按100kg/hm2等間距將氮盈余強(qiáng)度從低到高劃分為4級(jí)[18， 22]： Ⅰ級(jí)<0kg/hm2， Ⅱ級(jí)0～100kg/hm2， Ⅲ級(jí)100～200kg/hm2， Ⅳ級(jí)>200kg/hm2，以此來反映江蘇省氮素負(fù)荷的區(qū)域分化情況。

2005—2015年，江蘇省農(nóng)田氮盈余強(qiáng)度從135.78kg/hm2降低至64.85kg/hm2，各地市農(nóng)田氮負(fù)荷也大多有好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)， 2005年，全省各地市以Ⅲ級(jí)盈余地區(qū)為主， 2015年則大多為Ⅱ級(jí)盈余(圖3)。2015年，以蘇南太湖流域地區(qū)、長(zhǎng)江沿江地區(qū)和沿海地區(qū)，農(nóng)田氮污染風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，甚至泰州、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州與南京農(nóng)田總體呈氮虧缺狀態(tài)。而風(fēng)險(xiǎn)較高地區(qū)相對(duì)集中徐淮農(nóng)業(yè)區(qū)，徐州、淮安、宿遷處于Ⅲ級(jí)氮盈余地區(qū)。

江蘇省農(nóng)田氮盈余強(qiáng)度從2005—2015年的層次變化上，大體分3種類型區(qū)，(1)顯著下降：南京，從Ⅲ級(jí)盈余降為Ⅰ級(jí)氮素虧缺； (2)一般下降，又分：低位下降區(qū)：揚(yáng)州、泰州、鎮(zhèn)江，從Ⅱ級(jí)盈余降為Ⅰ級(jí)氮素虧缺； 中位下降區(qū)：蘇錫常及連云港、鹽城，盈余從Ⅲ級(jí)降為Ⅱ級(jí)； 高位下降區(qū)，徐州，從Ⅳ級(jí)盈余轉(zhuǎn)為Ⅲ級(jí)盈余； (3)基本穩(wěn)定，又分低位穩(wěn)定區(qū)，南通； 中位穩(wěn)定區(qū)，淮安、宿遷。雖然這些基本穩(wěn)定區(qū)保持原有等級(jí)不變，但其氮盈余強(qiáng)度均有下降。總體上，江蘇中南部地區(qū)農(nóng)田氮盈余強(qiáng)度下降較為明顯，以泰州年均下降最快，蘇北地區(qū)的淮安、宿遷氮盈余強(qiáng)度居高不下，年均下降最慢(圖3)。

圖3 江蘇省農(nóng)田氮素盈余強(qiáng)度分布的變化

3 結(jié)論與討論

相對(duì)于以往研究運(yùn)用平衡法估測(cè)農(nóng)田氮過剩排放，該文納入更多的收支項(xiàng)，如氮輸入項(xiàng)中補(bǔ)充秸稈還田氮、大氣沉降氮，氮輸出中包括氨氮揮發(fā)與反硝化項(xiàng)、淋洗與徑流，許多輸入和輸出參數(shù)是借鑒前人研究的結(jié)果，且假定這些參數(shù)相對(duì)固定，因此所得的農(nóng)田氮平衡量與真實(shí)值會(huì)存在一定差異，但結(jié)果基本能呈現(xiàn)江蘇耕地氮素盈余狀態(tài)的一般演變趨勢(shì)。當(dāng)然，降低氮盈余強(qiáng)度、控制氮素污染潛在風(fēng)險(xiǎn)的途徑，并不能簡(jiǎn)單理解為盡量減少氮的各輸入項(xiàng)、提高各輸出項(xiàng)； 農(nóng)田養(yǎng)分管理的關(guān)鍵是提高農(nóng)田氮素的作物利用效率，對(duì)于特定地區(qū)，在認(rèn)識(shí)農(nóng)田氮盈余演變態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上，更要關(guān)注氮素輸入構(gòu)成和氮素利用效率，如通過擴(kuò)大生物固氮和秸稈還田等肥源、削減過量投入的化學(xué)氮肥量，以及確定氮肥的適宜施用量、平衡施肥等，來改善土壤結(jié)構(gòu)、增加有機(jī)質(zhì)含量，并盡可能減少氮素從農(nóng)田向環(huán)境的排放。

江蘇省農(nóng)田氮盈余量的歷時(shí)過程顯示，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程加快，耕地面積逐漸下降， 20世紀(jì)80年代中期開始，為追求有限耕地上的農(nóng)業(yè)持續(xù)增產(chǎn)，江蘇省種植業(yè)開始日益依賴化肥，直到1998年前后，江蘇糧食產(chǎn)量達(dá)到20世紀(jì)的最高水平，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)隨后進(jìn)入戰(zhàn)略性調(diào)整時(shí)期， 1998—2003年江蘇糧食明顯縮面縮產(chǎn)，農(nóng)田作物氮吸收量也逐年放緩，期間氮輸入亦從歷史高位開始下行，但盈余量仍在上升。耕地氮盈余量的時(shí)間拐點(diǎn)大約在2003年前后，此后，江蘇農(nóng)作物產(chǎn)量并沒有隨化肥施用的降低而減少，表明農(nóng)業(yè)氮素使用效率在提高，氮素過量投入問題趨于緩和。

江蘇農(nóng)田氮素平衡的南北分化明顯，近10年來，江蘇中南部地區(qū)氮盈余強(qiáng)度有明顯下降，徐淮地區(qū)則下降較慢，在氮盈余強(qiáng)度水平上，近期以蘇北地區(qū)相對(duì)較高，蘇南及沿江地區(qū)則較弱?？傮w上，蘇南的太湖流域地區(qū)，江蘇沿長(zhǎng)江地區(qū)，以及沿海地區(qū)，農(nóng)田氮過剩污染風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，甚至泰州、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州與南京，近期處于相對(duì)虧缺狀態(tài)，未來可以適當(dāng)增施有機(jī)肥和擴(kuò)大綠肥、豆科作物種植面積，恢復(fù)地力，補(bǔ)償農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分。地處淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)的徐州市，耕地氮素處于相對(duì)穩(wěn)定的高負(fù)荷狀態(tài)，農(nóng)田氮素污染潛在風(fēng)險(xiǎn)最大，淮安、宿遷、則為相對(duì)穩(wěn)定的中度負(fù)荷狀態(tài)。隨著江蘇省糧食在內(nèi)的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)重心北移，這一區(qū)域成為江蘇農(nóng)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地，但也是全省農(nóng)田養(yǎng)分管理和科學(xué)施肥的重點(diǎn)管治區(qū)域、農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)防控區(qū)域。

徐州、宿遷和淮安地處黃淮平原地區(qū)，由歷史上的黃河、淮河及其支流沖積、洪積而成，該區(qū)光熱土等農(nóng)業(yè)資源豐富，但土壤有機(jī)質(zhì)含量低，農(nóng)業(yè)高產(chǎn)只能由化學(xué)肥料維持。因此，農(nóng)業(yè)調(diào)整上，對(duì)耕地要用養(yǎng)結(jié)合，視地力和施肥水平確定熟制； 要因地制宜、因土適種，選擇地力瘠薄地區(qū)作為飼料基地，實(shí)行糧草輪作，發(fā)展綠肥牧草，過腹還田； 盡可能控制化肥投放，以無機(jī)換有機(jī)，增加改土增肥的有機(jī)物料，如擴(kuò)大秸稈還田數(shù)量。